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《重庆大学》 2011年
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光合细菌产氢过程中能质传输及超声强化特性研究

谢学旺  
【摘要】:化石能源价格不断攀升,能源短缺日益成为困扰社会发展的首要问题,同时化石燃料的过量开采对自然环境造成了严重破坏,而氢气燃烧热值高,燃烧产物为水,不释放危害环境的产物,因此被广泛地认为是最具潜力的清洁能源。在多种制氢技术中,光合细菌制氢具有光谱响应范围广、能量转化效率高、反应条件温和、环境友好的优点,非常有利于实现能源的可持续发展。 光合细菌的能质传输特性的研究对于解决光合细胞的传输限制性问题,以及光生物制氢中光能利用率低、产氢速率低等问题,具有重要的作用。目前关于光合细菌产氢机理的研究较少,尤其在光合细菌产氢过程中光能的光生化反应和碳源底物的跨膜传输特性方面,已有的研究大多是在细胞结构被破坏的条件下研究光能捕获与电子传递,没有将光能的传递与细胞内物质代谢联系起来。 本文采用前期筛选、纯化的高效产氢光合菌沼泽红假单胞(Rhodoseudomonas palustris)CQK-01为实验菌种,系统研究了在序批式培养过程中光合细菌的生物学特性以及生长产氢动力学特性;并从光能和底物传递以及微生物代谢的角度研究了底物浓度、pH值、光波长、光照强度等参数对反应器内光衰减特性、光合细菌的光合色素和细胞内ATP含量、光合细胞膜的渗透系数和细胞内葡萄糖浓度的影响,分析了光衰减对平板式光生物反应器产氢性能的影响,以及光能和底物传输与光合细菌产氢速率的关系,建立了光生物制氢反应器中光衰减系数关联式和光合细菌的葡萄糖跨膜传输及代谢产氢的单细胞模型;同时为了强化光合细菌产氢过程中的能质传输特性,本文进一步研究了在序批式和连续流两种超声波光生物反应器中超声功率、超声时间、底物浓度、光照等操作参数对光合细菌产氢性能的影响。主要研究成果如下: ①实验获得了沼泽红假单胞菌CQK-01的生长繁殖方式、菌体生长产氢过程中的形态变化以及菌体活细胞的光谱吸收特性,同时揭示了不同初始底物浓度、初始pH值、光波长、光照强度下光合细菌的比生长速率、底物比消耗速率、比产氢速率等动力学特性的变化规律。 ②在序批式光生物制氢反应器中,研究了光路长度、细菌浓度、入射光波长和入射光照强度等操作参数下光合细菌的光衰减特性,实验结果表明:在可见光波段范围内,光衰减系数随着光波长的增加而减小,而随着细菌浓度的增加而增加;同时拟合得到光衰减系数与光波长和细菌浓度的实验关联式,结果表明计算值与实验测量值吻合较好。同时研究还发现,光衰减对光合细菌的生长产氢特性影响很大,在较短光路长度、高光照强度下光合细菌的生长速率最快,并且达到最大产氢速率的时间较早,在光路长度L为0.05 m时光生物反应器综合产氢性能最佳,此时反应器的产氢速率为0.16 mmol/L/h,葡萄糖消耗速率为0.49 mmol/L/h,产氢得率为0.4 mol-H2/mol-glucose,光能转化效率为28%。 ③研究了初始底物浓度、初始pH值、光波长和光照强度对光合细菌产氢过程中光合色素和细胞内ATP含量的影响,实验结果表明:细菌叶绿素和类胡萝卜素具有不同的合成机制,在光波长为590 nm、初始底物浓度为75 mmol/L、初始pH值为7.0时,其细菌叶绿素和类胡萝卜素含量最大为2.3 mg/g cell dry weight和2.5 mg/g cell dry weight,产氢速率最大为2.3 mmol/g cell dry weight/h。 ④对光合细菌的葡萄糖跨膜传输特性进行了研究,并且结合Fick定律和Michaelis-Menten方程计算得到细胞内葡萄糖浓度和光合细胞膜的渗透系数,结果表明:葡萄糖跨膜传输速率最大为9.74 mmol/g cell dry weight/h,光合细胞膜的最大渗透系数基本维持在250 cm3/g cell dry weight/h左右。同时建立了光合细菌的葡萄糖跨膜传输及代谢产氢的单细胞模型,分析了光合细菌细胞内、外葡萄糖浓度和氢气浓度分布特性。 ⑤研究了超声波对光合细菌产氢特性的影响,实验发现:超声波可以增加光合细胞膜的通透性,促进碳源有机底物的跨膜传输;超声波可以释放液相中的氢气,降低氢分压对光合细菌产氢的抑制作用。在序批式超声波反应器中,反应器的最大产氢速率、产氢得率、能量转化效率分别为0.54 mmol/L/h、1.18 mol-H2/mol-glucose、11%。而在连续流超声波光生物反应器中,其最大产氢速率、产氢得率和能量转换效率分别为0.82 mmol/L/h、0.33 mol-H2/mol-glucose、和2.7%,可见序批式反应器比连续流反应器具有较高的产氢得率和能量转化效率,而连续流反应器却具有较大的产氢速率,并且还发现在超声波作用下的光合细菌与未超声作用的光合细菌相比产氢速率至少可提高1.5倍。。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ116.2

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 戴传云,王伯初;低功率超声波对微生物发酵的影响[J];重庆大学学报(自然科学版);2003年02期
2 代瑞华;刘会娟;曲久辉;;铜绿微囊藻中磷酸腺苷的提取及分析[J];分析化学;2007年12期
3 吕功煊;;ATP合酶中α亚基推动γ亚基旋转的可能机制[J];分子催化;2006年05期
4 冯娟;李雪峰;刘渊;;紫色光合细菌中类胡萝卜素的选择性分布及功能[J];光谱学与光谱分析;2008年07期
5 王水才,蔡霞,贺俊芳,刘晓,彭菊芳,李良璧,匡廷云;从核心天线到反应中心分子传能研究[J];光子学报;2003年07期
6 彭菊芳,王水才,贺俊芳,蔡霞,刘晓,匡廷云;捕光复合物LHCⅡ的荧光动力学特性[J];光子学报;2004年02期
7 洪天求,郝小龙,俞汉青;有机废水厌氧发酵产氢技术的现状与发展[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2003年05期
8 张淑香;李东晓;朱明龙;张旭;谭文松;张嗣良;;葡萄糖浓度对杂交瘤细胞代谢通量分布的影响[J];化工学报;2007年12期
9 田鑫;廖强;张攀;王永忠;朱恂;石泳;丁玉栋;;光合细菌生物膜反应器葡萄糖降解及产氢特性实验[J];化工学报;2008年09期
10 ;Enzyme extraction by ultrasound from sludge flocs[J];Journal of Environmental Sciences;2009年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 方玲玲;周元祥;;应用厌氧折流板反应器处理制药废水的研究[J];安徽化工;2006年02期
2 周学明;;噻黄隆生产废水处理实验研究[J];安徽化工;2007年05期
3 俞珊珊;刘锋;马三剑;王秋云;;UASB处理蛋白废水的实验研究[J];安徽化工;2010年04期
4 乔华军;蒋文化;姜涛;马三剑;;UASB工艺处理秸秆乙醇废水的厌氧研究[J];安徽化工;2010年06期
5 於胜洪;华喜萍;姜涛;蒋京东;;加压厌氧反应系统的实验运行研究[J];安徽化工;2011年02期
6 周宇昭;蒋文化;张晔;戴庆武;马三剑;;UASB反应器处理制药废水的实验研究[J];安徽化工;2011年02期
7 周宇昭;;涤纶短纤维废水中试研究[J];安徽化工;2011年05期
8 刘绍根,黄显怀,赵峰;UASB-SBR工艺处理屠宰废水[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2001年01期
9 徐天勇;畜禽养殖场污染治理技术研究[J];安徽农业科学;2004年01期
10 杨绍斌,曾艳君,马俊驰,贺彬,王东祖,迟源;复合光合细菌在蔬菜绿色食品生产中的应用[J];安徽农业科学;2005年06期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 缪宇,王承龙,殷惠军,史大卓,陈可冀;高效液相色谱测定大鼠心肌组织腺苷酸含量[J];北京大学学报(医学版);2005年02期
2 雷明;中国资源-能源-经济-环境综合投入产出表及绿色税费核算分析[J];东南学术;2001年04期
3 施明恒,虞维平,王补宣;多孔介质传热传质研究的现状和展望[J];东南大学学报;1994年S1期
4 潘峰;孙玮;路菊;张正治;柳君泽;李兵;;高效液相色谱法检测大鼠脑线粒体的腺苷酸[J];第三军医大学学报;2006年24期
5 梁国仑,陈信悦;氢气市场及其应用[J];低温与特气;2000年04期
6 郭庆文, 吉海平;紫色非硫光合细菌的研究[J];饲料工业;1994年03期
7 时兰春,王伯初,杨艳红,戴传云;低强度超声波在生物技术中应用的研究进展[J];重庆大学学报(自然科学版);2002年10期
8 戴传云,王伯初;低功率超声波对微生物发酵的影响[J];重庆大学学报(自然科学版);2003年02期
9 杨国栋,马玉新,杨素萍;荧光素酶法测定活性污泥中的ATP[J];分析测试技术与仪器;1998年04期
10 哈斯苏荣,杜小燕,蒋金书,朱蓓蕾;定量分析小鼠肝和肌肉组织磷酸腺苷含量及其影响因素[J];分析化学;2005年02期
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中国期刊全文数据库 前10条
1 王鸿良,韩永峰,林春;光合细菌净水剂清除滇池草海蓝藻的试验研究[J];云南环境科学;1998年03期
2 王德强,郭养浩;光合细菌生长的动力学研究[J];安徽工业大学学报;2001年03期
3 郑耀通,吴小平,高树芳;光合细菌处理高浓度黄泔水试验研究[J];江西农业大学学报(自然科学版);2002年03期
4 毛醒一,三宅淳,川村杉生;光合细菌产氢研究(二)——用苹果酸和丁酸筛选产氢光合细菌[J];食品与生物技术学报;1985年01期
5 张克强,陈秀为;光合细菌规模生产技术的研究[J];农业环境与发展;1994年04期
6 曾宇,廖问陶;光合细菌固定化及其净化城市污水的研究[J];重庆环境科学;2000年04期
7 何萍;光合细菌处理有机废水的研究进展[J];无锡教育学院学报;2001年03期
8 吕红,周集体,王竞;光合细菌降解有机污染物的研究进展[J];工业水处理;2003年10期
9 熊万永,李玉林;光合细菌在农业面源污染控制方面的应用[J];污染防治技术;2003年S1期
10 金梅;刘磊;唐湘华;徐国良;黄遵锡;;光合细菌对畜禽粪便处理的应用前景[J];饲料研究;2010年11期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李彦芹;管越强;康现江;;光合细菌组成成分及其应用[A];中国海洋生化学术会议论文荟萃集[C];2005年
2 李刚;张全国;杨群发;岳建芝;;光合细菌连续制氢试验系统设计[A];纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会(CSAE 2009)论文集[C];2009年
3 刘丽;蓝振球;陈伟军;李炎明;傅伟龙;;联合使用芽孢杆菌和光合细菌对鹅生长水体影响的研究[A];全国动物生理生化第十一次学术交流会论文摘要汇编[C];2010年
4 陈慧;张德民;王龙刚;潘志崇;;一株反硝化光合细菌的生物学特性及系统发育分析[A];第二届全国现代生态渔业可持续发展论文集[C];2010年
5 李先磊;倪学勤;;光合细菌的分子生物学研究进展[A];中国畜牧兽医学会动物微生态学分会第三届第六次学术研讨会论文集[C];2002年
6 王龙刚;潘志崇;张德民;;几个光合细菌新属的生物学特性研究[A];第十次全国环境微生物学术研讨会论文摘要集[C];2007年
7 金梅;刘磊;唐湘华;徐国良;李俊俊;黄遵锡;;光合细菌在饲料中的应用研究进展[A];饲用酶制剂开发与应用技术交流研讨会论文集[C];2010年
8 吴海燕;刘春光;孙淑荣;;光合细菌的生物学特性及其应用效果研究[A];第九届全国土壤微生物学术讨论会论文摘要[C];2001年
9 杨素萍;曲音波;钱新民;;光合细菌产氢机制的初步研究[A];中国生物工程学会第三次全国会员代表大会暨学术讨论会论文摘要集[C];2001年
10 黄姻;;光合细菌在水产养殖上的应用[A];广西水产研究所论文集(2001—2005)[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 湖南益阳市赫山区蔬菜局 王迪轩;如何施用光合细菌肥料[N];农民日报;2011年
2 夏豪;使用光合细菌要得法[N];中国渔业报;2005年
3 夏豪;使用光合细菌要得法[N];江苏农业科技报;2005年
4 段诗福;光合细菌在种植上的应用[N];河南科技报;2002年
5 张明顺;光合细菌[N];新疆科技报(汉);2001年
6 张文革;合理使用光合细菌[N];中国渔业报;2008年
7 记者 毛黎;用转基因光合细菌生产单糖好处多[N];科技日报;2010年
8 滨州市滨城区水产局 张文革;光合细菌养鱼技术[N];山东科技报;2008年
9 石伟生 刘燕;光合细菌:新一代饲料添加剂的佼佼者[N];经济参考报;2003年
10 山东省海水养殖研究所 张豫;光合细菌在水产养殖上的作用[N];江苏农业科技报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢学旺;光合细菌产氢过程中能质传输及超声强化特性研究[D];重庆大学;2011年
2 屈晓凡;微小空间内光合细菌产氢行为及鼓泡强化产氢实验研究[D];重庆大学;2011年
3 郭成龙;光合细菌生物膜反应器内传输特性及产氢性能强化[D];重庆大学;2013年
4 荆艳艳;超微秸秆光合生物产氢体系多相流数值模拟与流变特性实验研究[D];河南农业大学;2011年
5 王玉芬;光合细菌球形红细菌(Rhodobacter sphaeroides)降解氯苯类化合物的研究[D];东北大学;2007年
6 王永忠;固定化光合细菌光生物制氢反应器传输与产氢特性[D];重庆大学;2008年
7 宗文明;暗—光耦联两步法生物制氢及相关技术的研究[D];安徽农业大学;2009年
8 尤希凤;光合产氢菌群的筛选及其利用猪粪污水产氢因素的研究[D];河南农业大学;2005年
9 才金玲;海洋发酵菌和光合细菌耦联制氢研究[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2008年
10 许继飞;同步代谢秸秆木糖和葡萄糖的产氢新菌种及其产氢特性[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈军;光合细菌在鱼种培育中的应用研究[D];吉林农业大学;2002年
2 戴晓;光合细菌菌体分离回收以及实现啤酒废水资源化的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 景秀芳;Fe元素对光合细菌生长及光合色素的影响[D];山西大学;2010年
4 刘宏芳;光合细菌降解苯酚的研究[D];山西大学;2004年
5 曹攀;光合细菌脱氮除磷机理及应用研究[D];四川师范大学;2010年
6 王艳锦;畜禽粪便污水光合细菌制氢技术研究[D];河南农业大学;2004年
7 肖娜;光合细菌对亚硒酸盐还原脱毒作用研究[D];暨南大学;2010年
8 刘建红;混凝吸附—固定化光合细菌处理垃圾渗滤液的研究[D];山西大学;2004年
9 万海龙;光合细菌、硝化细菌的分离鉴定及其产品的初步研究[D];西南师范大学;2003年
10 高丽;光合细菌作为生物反应调节剂在肿瘤治疗中的作用研究[D];山西大学;2004年
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